机械臂平面运动控制与分析

杨建华

摘 要：介绍了机械臂在平面内工作的控制原理与过程，对硬件的选择进行了介绍与分析，对整个控制系统进行了分析与优化设计，并应用了较为先进的模糊智能控制方法解决了不同零件的抓取过程差异。

关键词：机械臂；平面运动；自动化；控制；PLC

中图分类号：TP242文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.003

随着我国科学技术的发展，机械臂在产品制造业的应用也越来越广，机械臂的设计过程中涉及到机械、控制、制造以及视觉等很多技术，由于机械臂的控制系统具有高阶和低阶多种自由度，因此对机械臂进行自动控制是自动化专业里一个重点和难点问题。现实生产中，利用小型机械臂对工件或产品进行平面内有规律的旋转、曲线运动以及点坐标移动，是小型机械臂工作的一个重要内容，也在国内外的工业生产中得到了比较广泛的使用。

1 系统硬件设计

系统硬件设计是机械臂平面运动控制系统的根本，根据机械臂带动工件完成指定动作的工作特点，控制系统的设计主要由驱动器、步进电机、电磁阀、PLC和触摸屏等组成。根据输入点和输出点的数量，并且需要使用PLC来控制步进电机的工作，输出的信号为脉冲信号，通过对比市场现有技术模块，最终决定选择西门子生产的6ES7216-2AD23-0XB0 CPU 226 DC/DC/DC型 PLC 作为本次机械臂的控制装置，具有24个输入和16个晶体管输出。触摸屏选用昆仑通态生产的TPC7062TX作为人机交互的设备，有2个串行通信口（COM口），这样也更加容易地和PLC进行连接以及数据的传递。机械臂完成运动的步进电机以及相应的驱动器都选用森创SD-20806和56BYG250DK，SD-20806是细分型高性能步进驱动器，比较适合平面运动机械臂所选用的两相或四相混合式步进电机，56BYG250DK 是两相混合式步进电机，额定电流2.4 A，静转矩1.72 Nm，步距角为18°。机械臂的转动结构动力选用了电机配合蜗轮蜗杆减速器的结构，电机生产商为沈阳电机股份有限公司，产品型号Y290M-411B3，功率为0.55 kW。稳压电源选用 S-120W-DC24 V，为触摸屏、PLC 和步进驱动器提供直流24 V。

2 控制系统的设计

在自动控制系统里，PLC软件是整个系统的关键，PLC的输入端连接着不同功能的开关，PLC 输出端负责控制对象指示信号灯、中间继电器以及电磁阀等。机械臂所完成的全部动作都由PLC软件进行控制和实施，整个运动和工作的过程都可以在触摸屏上实时显示。PLC 软件设计采用STEP7-Micro/WIN4.0的编程软件编写方框图程序，根据工作条件和控制要求设计出机械臂进行平面运动的PLC控制程序图。工作步骤如下：开始后，旋转电机带动机械臂到达工件位置，压紧气缸将工件压紧，此时电磁铁通电、同步带电机转动，旋转电机将工件移至工作位置，加工机械启动，完成后电磁铁断电，旋转电机将零件移至成品区，压紧气缸松开，控制过程结束。

在机械臂平面运动控制系统里，机械臂控制器的结构中含概了旋转电机、电磁铁、同步带电机、压紧气缸等零件。其中，机械臂的主要动力来自于旋转电机，旋转电机带动机械臂做圆周转动，而机械臂控制器会借助于旋转电机的转动达到控制手臂位置的目的，且能通过控制同步带电机达到做出指定动作的要求。在机械臂平面运动自动控制的优化设计过程中，首先分析机械臂在工作位置时传感器在细节工作时所提供的确切位置信息，机械臂运动和工作的控制模型，依据机械臂抓取零件的预定轨迹对机械臂控制的旋转电机和压紧气缸变量进行修改。机械臂平面工作系统需要在自动模式配合机械加工完成指定的工件任务。自动加工系统模块主要包括了系统的启动、暂停、急停以及状态监控等功能。

由于机械臂带动的零件为软质材料，在简化的一阶控制系统中，气缸的压力会随着不同的工件参数而实时的变化，且每个零件掉落的位置不同，因此控制所需的数学模型是变化的，控制系统不能按照某个零件的路径数学模型进行自动控制，这也需要利用到近期较流行的模糊智能控制的方法，解决微量的数学模型变化的问题，使得整个控制系统的可靠性更强。在机械臂平面运动控制的分析过程中，修正了机械臂初始转动电机的转速以及压紧气缸的工作时间，应用总动量方程式对机械臂进行验证和优化，并选取两个比较关键的动量维度进行机械臂的动量控制，建立了分解动量控制对于机械臂平面运动的二维触手端分解动量控制矩阵，基于系统的硬件改善了机械臂平面加工零件的自动控制方案。

3 结语

机械臂在平面内完成指定工作在小型产品的全自动化生产中应用很广，在对整个工作过程的控制中仍有许多可改进的地方，在组建机械臂控制的初始模型时依据机械臂在平面内工作的抓取规律对机械臂控制的旋转电机和压紧气缸变量进行修改，同时对机械臂控制的数学模型进行了优化，使得整个工作过程更加合理，但对PLC的应用仍有较大的优化空间。